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钢结构设计 SteelStructureDesign 土木学院 2011 2012学年第一学期 长春工程学院 ChangchunInstituteofTechnology 3 21 2020 1 考核要求 平时成绩 30 纪律 旷课1 3取消考试资格 迟到3次按一次旷课记 作业 缺1 3取消考试资格 考试成绩 70 3 21 2020 2 本学期主要内容 第七章单层厂房结构 第九章多 高层房屋结构 普通钢屋架设计 3 21 2020 3 钢结构的应用 1 大跨度钢结构钢屋架网架 网壳结构悬索结构拱架结构桥梁结构 3 21 2020 4 国家主体育场 鸟巢 外形结构主要由巨大的门式钢架组成 共有24根桁架柱 大跨度屋盖支撑在桁架柱上 柱距为37 96米 主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置 钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件 交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了 鸟巢 的特殊建筑造型 3 21 2020 5 Q460是一种低合金高强度钢 国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材 钢板厚度达到110毫米 是以前绝无仅有的 在国家标准中 Q460的最大厚度也只是100毫米 以前这种钢一般从卢森堡 韩国 日本进口 河南舞钢特种钢厂 用钢Q460钢400吨 E 75焊条 Q460钢材的运用 3 21 2020 6 天津奥林匹克体育场俯瞰效果图 建筑底面面积为80 000m2 屋顶面积76 719m2 地上层数6层 最高点高度53 00m 可容纳观众数60 000 屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 屋面桁架落地 形似露珠 绿色奥运 科技奥运 人文奥运 3 21 2020 7 美国金门大桥 主跨1280m 3 21 2020 8 2 重型厂房结构西安变压器厂 400t吊车 3 21 2020 9 3 多 高层建筑 4 高耸建筑电视塔 微波塔 通讯塔等 5 轻型钢结构 3 21 2020 10 3 21 2020 11 6 容器和其他构筑物 7 可拆卸或移动的结构 8 承受振动荷载影响及地震作用的结构 9 混凝土组合成的组合结构等 3 21 2020 12 相关知识复习 钢结构的材料钢结构的连接轴心受力构件受弯构件拉弯和压弯构件 3 21 2020 13 7 1厂房结构的形式和布置7 2厂房结构的框架形式7 3屋盖结构7 4框架柱设计特点7 5轻型门式刚架结构7 6墙架体系 第七章单层厂房结构 3 21 2020 14 大纲要求 1 了解厂房结构的形式和布置 3 掌握钢屋架的设计 2 了解厂房结构的框架形式 4 掌握轻型门式刚架结构的设计 教学重点 屋盖结构 轻型门式刚架结构 教学难点 钢屋架设计 轻型门式刚架设计 3 21 2020 15 参考资料 1 中华人民共和国国家标准 钢结构设计规范 GB500172003 中国建筑工业出版社 2003年2 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ3 2002 中国建筑工业出版社 2002年3 陈绍蕃主编 钢结构 第2版 中国建筑工业出版社 20044 王肇民主编 建筑钢结构设计 同济大学出版社 20015 王新堂主编 钢结构设计 同济大学出版社 20056 陈树华主编 钢结构设计 华中科技大学出版社 20077 郭昌生主编 钢结构设计 浙江大学出版社 20078 张其林主编 轻型门式钢架 山东科学技术出版社 20069 钢结构设计手册编辑委员会 钢结构设计手册 上 下册 中国建筑工业出版社 3 21 2020 16 3 21 2020 17 3 21 2020 18 3 21 2020 19 3 21 2020 20 3 21 2020 21 3 21 2020 22 3 21 2020 23 3 21 2020 24 重型厂房的特点 跨度大 高度大 吊车吨位大 厂房结构主要应用于冶金 造船 机械制造等行业 7 1 1一般说明组成 由屋盖结构 柱 吊车梁 制动梁 或桁架 各种支撑以及墙梁等构件组成的空间体系 这些构件按其作用分为 1 横向框架由柱与屋架组成 是厂房的主要承重体系 承受结构的自重 风 雪荷载和吊车荷载 并把这些荷载传递到基础 7 1厂房结构的形式和布置 3 21 2020 25 图7 1 3 21 2020 26 3 21 2020 27 2 屋盖结构由屋架 屋面板及檩条组成 承受屋面荷载 3 支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑 4 吊车梁和制动梁 桁架 主要承受吊车竖向及水平荷载 并将这些荷载传递到框架 5 墙架承受墙体的自重和风荷载 3 21 2020 28 3 21 2020 29 吊车工作制 轻 中 重和特重级 起重机设计规范 将其分为八级工作级别A1 A8 柱网布置和计算单元 柱网布置要综合考虑工艺 结构和经济等方面的要求 吊车的工作制等级与工作级别的对应关系表7 1 3 21 2020 30 1 满足生产工艺要求柱的位置应与地上 地下的生产设备和工艺流程相配合 2 满足结构要求保证厂房具有足够的强度和刚度 注意柱距和跨度的类别尽量少些 以利施工 尽量少抽柱 3 符合经济合理的要求合理的柱网布置应使总的经济效益最佳 柱距取12m 参数较小厂房取6m柱距较为合适 如果采用轻型围护结构 则取大柱距15m 18m及24m较适宜 4 符合柱距规定要求 3 21 2020 31 拔柱 由于工艺要求或其它原因 有时需要将柱距局部加大 如图7 2中 在纵向轴线B与横向轴线L相交处不设柱子 因而导致轴线k和m之间的柱距增大 这种情形有时形象地称为拔柱 图7 2柱网布置 计算单元宽度为相邻柱距的平均值 3 21 2020 32 2 温度伸缩缝 当厂房平面尺寸较大时 为了避免产生过大的温度应力和变形 应在厂房的横向或纵向设置伸缩缝 规范规定 当温度区段长度不超过表7 2的数值时 可不计算温度应力 温度伸缩缝最普通的做法时设置双柱 3 21 2020 33 超出表7 2中数值时 应考虑温度应力和温度变形的影响 温度区段长度表 m 表7 2 3 21 2020 34 7 2厂房结构的框架形式 横向框架梁与柱的连接形式 刚接框架 a b 横梁与柱子的刚接连接铰接框架 c 横梁与柱子的铰接连接 图7 3框架形式 3 21 2020 35 铰接框架优点 基础不均匀沉陷及温度影响较小 框架节点构造容易处理 屋架端部不产生弯矩 下弦杆始终受拉 可省去一些下弦支撑 缺点 下柱的弯矩较大 厂房横向刚度差 适用范围 一般用于多跨厂房或高度不大而刚度容易满足的厂房 当采用钢屋架 钢筋混凝土柱的混合结构时 常采用柱顶铰接的框架形式 反之 在厂房较高 吊车的起重量大 对厂房刚度要求较高时 钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接框架方案 3 21 2020 36 铰接框架 横梁与柱子铰接 适用于吊车起重量不很大和采用轻型维护结构 刚接框架 横梁与柱子刚接 适用于设有双层吊车 装备硬钩吊车等的单跨重型厂房 柱脚刚接 可以削减上柱柱顶的弯矩值 增大横向框架的刚度 3 21 2020 37 7 2 1横向框架主要尺寸和计算简图 主要尺寸 框架的跨度 图7 4横向框架计算简图 a 3 21 2020 38 7 2 1横向框架主要尺寸和计算简图 主要尺寸 框架的跨度 式中 桥式吊车的跨度 B 吊车桥架悬伸长度 可由行车样本查得 D 吊车外缘与柱内边缘之间的必要空隙 当吊车起重量不超过500kN时 当吊车起重量大于或等于750kN时 上部柱宽度 当在吊车和柱之间需要设置安全走道时 则D不得小于400mm 3 21 2020 39 3 21 2020 40 图7 4横向框架计算简图 b 3 21 2020 41 图7 4横向框架计算简图 b 3 21 2020 42 S的取值 对于中型厂房一般采用0 75m或lm 重型厂房则为1 25m甚至达2 Om 框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离 式中 柱脚底面至地面的距离 中型车间约为0 8 1 Om 重型车间为1 0 1 2m 吊车轨顶至屋架下弦底面的距离 A为吊车轨道顶面至起重小车顶面之间的距离 lOOmm是为制造 安装误差留出的空隙 150 200 mm则是考虑屋架的挠度和下弦水平支撑角钢的下伸等所留的空隙 吊车梁的高度可按 选用 L为吊车梁 的跨度 地面至吊车轨顶的高度 由工艺要求决定 3 21 2020 43 3 21 2020 44 图7 5横向框架的计算简图 a 柱顶刚接 b 柱顶铰接接 3 21 2020 45 横梁与柱铰接的框架 3 21 2020 46 横梁与柱刚接的框架 3 21 2020 47 横向框架的计算高度H 柱顶刚接时 可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离 横梁刚度假定为无穷大 图7 6 a 或柱脚底面至横梁端部形心的距离 横梁刚度为有限值 图7 6 b 柱顶铰接时 应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离 图7 6 c d 图7 6横向框架的高度取值方法 3 21 2020 48 计算高度H a 柱顶刚接时 横梁刚度假定为无穷大 b 柱顶刚接时 横梁刚度为有限值 c 柱顶铰接时 上承式 d 柱顶铰接时 下承式 端部形心 3 21 2020 49 7 2 2横向框架的荷载和内力 平面刚架分析 墙架结构 吊车梁系统等均以集中力方式作用于刚架上 仅承担一个计算单元内的各种荷载 永久荷载 可变荷载及偶然荷载 标准值按GB50009计算 永久荷载 屋面恒载 檩条 屋架 其他构件自重及围护结构自重等 换算成水平投影面的均布面荷载 可变荷载 屋面活荷载 雪荷载 积灰荷载 风荷载及吊车荷载 施工检修荷载等 1 荷载 3 21 2020 50 永久荷载 恒载 实腹式檩条自重标准值取0 05 0 1kN m2 格构式檩条自重标准值取0 03 0 05kN m2 1 屋面恒载的标准值可按下表取值 kN m2 屋面类型瓦楞铁压型钢板波形石棉瓦水泥平瓦 恒载标准值0 050 1 0 50 20 55 2 檩条可按如下取值 3 墙架可按如下取值 墙架结构自重标准值可选用均布荷载0 25 0 42kN m2 檐高较大时相应取大者 3 21 2020 51 图7 7风荷载投影 注意事项 屋面活荷载不与屋面雪荷载同时考虑 积灰荷载要考虑局部增大系数 风荷载是垂直于建筑物表面的 投影到水平面风压高度系数和风载体型系数见GB50009 3 21 2020 52 永久荷载的荷载分项系数为 计算柱脚锚栓时取 可变荷载的荷载分项系数 积灰荷载与雪荷载 或为屋面均布活荷载 两者中的较大者同时考虑 屋面荷载化为均布的线荷载作用于框架横梁上 当无墙架时 纵墙上的风力一般作为均布荷载作用在框架柱上 有墙架时 尚应计入由墙架柱传于框架柱的集中风荷载 作用在框架横梁轴线以上的屋架及天窗上的风荷载按集中在框架横梁轴线上计算 3 21 2020 53 按照 建筑结构荷载规范 GB50009 的规定 结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载 按承载能力极限状态和正常使用极限状态 依照组合规则进行荷载效应的组合 并取最不利组合进行设计 2 内力分析及内力组合 3 21 2020 54 对于一般的刚 框 架 按承载能力极限状态设计时 构件和连接可取下列简化公式中的最不利值确定 SGK SQK 按规范规定的标准值算得的永久荷载效应和可变荷载效应 G Q 永久荷载分项系数和可变荷载分项系数 3 21 2020 55 荷载效应组合的目的 找到最不利组合情形对构件和连接进行校核 以确定设计是否安全 分别就构件校核条件中出现的内力 寻求它们分别取可能的最大值时的组合进行校核 受弯构件 3 21 2020 56 压弯构件 3 21 2020 57 内力组合表 3 21 2020 58 柱与屋架刚接时 最不利组合可分为四组 1 使屋架下弦杆产生最大压力 图7 7 a 2 使屋架上弦杆产生最大压力 同时也使下弦杆产生最大拉力 图7 7 b 3 4 使腹杆产生最大拉力或最大压力 图7 7 c d 图7 7框架横梁端弯矩最不利组合 3 21 2020 59 框架柱按结构形式可分为等截面柱阶形柱分离式柱 7 2 3框架柱的类型 等截面柱又分实腹式和格构式两种 通常采用实腹式 吊车梁支承在柱身的牛腿上 适用于或无吊车且厂房高度较小的轻型厂房中 3 21 2020 60 阶形柱又分实腹式和格构式两种 阶形柱的上段截面一般采用工字形截面的实腹柱 与屋架 托架的连接简便 下段截面高度 1m时 采用实腹式 截面高度 1m时采用格构式 吊车梁支承在柱截面变化的肩梁处 3 21 2020 61 分离式柱由支承屋盖结构的屋盖肢和支承吊车梁的吊车肢组成 两柱肢之间用水平板相连接 阶梯形柱 上段柱 实腹式 格构式 下段柱 缀条格构式 分离式柱 吊车肢突缘支座 轴压构件 平板支座 压弯构件 屋盖肢 压弯构件 分离式柱 3 21 2020 62 减小两肢在框架平面内的计算长度 两肢分别单独承担荷载 图7 8格构式柱与分离式柱 分离式柱的优点 3 21 2020 63 阶梯形下柱的常见截面形式 图7 9双肢格构式柱 3 21 2020 64 变截面柱 双阶边柱 双阶中柱 3 21 2020 65 图7 10吊车梁工程实例 3 21 2020 66 3 21 2020 67 肩梁 单臂肩梁 双臂肩梁 构造要求 肩梁惯性矩宜大于上柱的惯性矩 其线刚度与下柱单肢线刚度之比一般宜不小于25 其高跨比可控制在0 35 0 5之间 工字形截面 箱形截面 肩梁 阶形柱无论是实腹式还是格构式 均是以肩梁将其各阶段连在一起形成整体的 类似牛腿 将各阶柱段连在一起 3 21 2020 68 肩梁构造 图2 7肩梁构造 单腹壁肩梁 双腹壁肩梁 惯性矩线刚度高跨比截面高度 3 21